噴丸強化技術的案例
噴丸強化基本概念
近期工作中接觸噴丸強化（強力噴丸）比較多，搜索了一些資料，做了一些筆記，記錄了一些照片，整理一下，與大家共享。希望與大家交流。
1.強化噴丸概念
在了解噴丸強化技術之前，我們有必要將拋丸、噴砂、噴丸的三個容易混淆的概念解釋一下。這三個概念其實就四個字：噴、拋、丸、砂，其中，噴拋是工藝方法，丸砂是使用的材料。噴，是用高壓空氣將丸、砂吹到工件的表面，拋是用高速旋轉的葉片拋射到工件表面，丸用的是鋼丸，砂用的是石英砂等。
噴丸過程就是將大量彈丸噴射到零件表面上的過程，有如無數小錘對表面錘擊，因此，金屬零件表面產生極為強烈的塑性形變，使零件表面產生一定厚度的冷作硬化層，稱為表面強化層，此強化層會顯著地提高零件的疲勞強度。 測評強化丸質量有三個基本參數：強度、覆蓋率、表面粗糙度。
2.噴丸強度
影響噴丸強度的工藝參數主要有：彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量、噴丸時間等。彈丸直徑越大，速度越快，彈丸與工件碰撞的動量越大，噴丸的強度就越大。噴丸形成的殘余壓應力可以達到零件材料抗拉強度的60％，殘余壓應力層的深度通常可達0.25mm，最大極限值為１mm左右。噴丸強度需要一定的噴丸時間來保證，經過一定時間，噴丸強度達到飽和后，再延長噴丸時間，強度不再明顯增加。在噴丸強度的阿爾門試驗中，噴丸強度的表征為試片變形的拱高。
3.阿爾門（Almen）試驗
噴丸強度常用N試片（用于有色金屬試驗）、A試片（最常用）、C試片（更高強度）來進行測量， A試片和C試片之間關系為近似3倍關系。如用C試片測得強度為0.15-0.20C mm就相當于0.45-0.60A mm。圖中厚的為C試片，薄的為A試片。
試驗過程中，先測量試片原有變形，然后將卡好該試片的工裝置于噴丸箱內，采用與工件相同的工藝進行噴射。噴丸結束，取下試片，測量變形拱高。
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噴丸強度是調控硬度層分布特征的直接有效手段，如圖5 所示，噴丸強度越高，表面硬度值和硬度層深度越大。在循環硬化- 軟化作用下，硬度存在極限值，見圖6。鎂合金通過噴丸強化處理，表面硬度從60HV提高到135HV。對于300M 鋼噴丸，噴丸強化后表層殘留奧氏體發生相變，轉變為馬氏體組織，硬度大幅度提高。在一定噴丸強度下，隨噴丸時間增加表面硬度值和硬度層深度逐漸變大，在循環軟化- 硬化作用下，硬度值最終趨于穩定，其大小取決于彈丸入射階段的動能。但噴丸強化時間過長又可能誘發剝層、裂紋、破碎彈丸嵌入、零件翹曲等現象。大尺寸彈丸有利于增加硬度層深度，如圖7 所示，鄭海忠等研究報道了當彈丸尺寸從1mm 變為4mm 時，變形層深度從600μm 增至1600μm。
展望
隨著表面噴丸強化技術的快速發展， 噴丸強化表面完整性對材料及零件性能影響的重要性也越來越受到重視，針對噴丸強化表面完整性的研究也逐漸深入， 為實際工程的應用提供了參考和依據。國內目前針對噴丸強化表面完整性的基礎研究還有待深入，對表面完整性的評估與檢測體系尚不完善，因此，針對噴丸強化表面完整性的研究還有以下幾個方面有待加強：
（1） 深入開展噴丸強化加工表面完整性的應用基礎研究，揭示噴丸強化表面完整性特征的形成及產生的機理，建立噴丸強化表面完整性的理論模型及其評判體系；
（2）在航空航天等領域的抗疲勞零部件制造技術中，拓展噴丸強化加工表面完整性技術的應用，依據實際服役性能的需求，綜合調控表面完整性各因素，實現所需性能的最優化；
（3）基于表面完整性控制，開發新型表面噴丸強化技術，獲得更大的表面完整性調控區間與更優的效果，適應新材料、新結構和更復雜零部件的表面強化需求。
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高強度汽車齒輪表面強化技術的研究現狀和發展趨勢（一）
根據近年來國際上高強度汽車齒輪研究與應用成果表明，表面強化技術已經成為實現高強度齒輪的疲勞極限、疲勞耐久壽命和最佳摩擦因數等高性能要求的核心技術。尤其是對齒輪主要材料中合金成分影響和齒輪彎曲疲勞和接觸疲勞破損機理的研究、開發齒輪的汽車齒輪滲碳和碳氮共滲等熱處理新技術、以及強力噴丸、微粒噴丸、復合噴丸、磷酸錳轉化涂層、二硫化鉬與微粒子復合噴涂等表面強化等新技術都越來越受到到國內外的重視。
文中根據表面強化技術的最新研究現狀，重點論述了齒輪在應用中經常出現的主要損傷形式以及最新的防止損傷的一些表面強化新技術，闡述了這些新技術的表面強化機理和應用效果；同時分析了高強度齒輪表面強化技術面臨的問題和發展趨勢。
引言
齒輪是機械裝置中傳遞動力的重要零部件，日本機械學會曾對各行業的齒輪傳動失效實例進行過系統調查研究，約74%的齒輪傳動副失效因齒輪表面疲勞失效而引起，這充分說明，齒輪的強度和使用壽命與機械裝置優劣緊密相關。近年來，隨著現代汽車和新能源汽車、軍用車輛、艦艇、航空航天器、高速鐵路設施等技術的進步發展，其動力傳動機構進一步要求齒輪具有高強度化、高速度化、高效率、高壽命、輕量化和小型化(四高一輕小)等特點。這不僅對齒輪的設計提出了新的課題，也為開發新材料和創新型材料加工技術帶來新的研發任務。其中表面強化技術是保證齒輪實現四高一輕小的關鍵。
目前，我國在高強度齒輪設計與制造技術方面與歐、美、日等國家相比還存在相當差距，特別是表現在高檔汽車和機械產品的零部件與國外產品的強度和使用壽命等方面的差距尤為突出，制約了我國汽車自動變速器及其他高端機電裝備的發展，因此全面提升高端齒輪的高強度化成為勢在必行的重要課題。
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噴丸強化簡介
噴丸強化是常用的表面處理技術之一，屬于冷加工方法的一種。噴丸過程即是大量球形小彈丸轟擊需加工的表面的過程，其目的是為了獲得更好的表面質量和更好的疲勞性能。噴丸強化在零件表面可以形成表面殘余壓應力（Compressive residual stress，CRS）層，表面壓應力可以有效增強零件的疲勞強度，延長零件的疲勞壽命；同時作為冷加工的方法，噴丸又能使零件表面位錯密度增高，表面晶粒細化，起到冷作硬化作用，同時也抑制了疲勞裂紋的擴展；噴丸方法還能將疲勞源由表面驅趕到零件表層以下。位于表層以下的疲勞源所引發的疲勞強度極限，或稱內部疲勞極限，是表層疲勞極限的1.3~1.4倍。
通過改變表面疲勞強度來改善零件疲勞強度的手段有很多，例如磨削加工、機械拋光、電解拋光、表面滲碳、滲氮、表面淬火、表面激光加工、表面滾壓、振動沖擊、拋/噴丸等。相比其他強化手段，噴丸強化方法受材料種類、材料靜強度，零件幾何結構和尺寸大小的影響較小，且成本較低。
噴丸強化的諸多優點使得對其的研究和興趣一直沒有中斷，由于噴丸是一種復雜的，過程隨機的工藝過程，以往針對其的研究多為試驗研究，實際工程中加工的工藝條件和工藝參數也都是人為根據工程經驗選擇的。然而實驗研究昂貴費時，實施不便；工業經驗應用范圍有限，且經驗的建立需要大量的試錯過程，不可能一蹴而就。試驗方法和工程經驗法的固有缺陷以及諸如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN/PATRAN等具有強大功能的有限元軟件的出現，將研究者的注意力吸引到了噴丸過程的數值仿真領域。數值仿真方法不僅經濟、易于實施，而且它同樣能對噴丸過程中彈丸沖擊靶材的機理做深入研究，能夠獲得大量試驗所需的應力應變，位移變形等參數。因此，數值仿真分析方法在噴丸領域的應用研究日益深入。
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本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、掌握噴丸三維模型的繪制
2、掌握顯示動力學分析相關的材料參數設置
3、理解顯示動力學分析步的建立
4、學習噴丸強化分析的相互關系的設置
5、了解顯示動力學網格的劃分
6、學習結果后處理的查看與對比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
本案例完整得提供了分析相關所有的分析文件。
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噴丸強化表面的疲勞過程
噴丸強化是利用高速彈丸流對金屬材料表面進行沖擊，使其表面及近表面發生塑性變形，出現應變硬化、組織結構和殘余應力的變化，可以改善零件的表面完整性，提高零件在室溫下和疲勞斷裂抗力和應力腐蝕開裂抗力。
本文研究了高強度彈簧鋼50CrVA無缺口板狀試樣經淬火回火后達到1200～1800MPa的抗拉強度時表面處理后的殘余應力，以及各種表面狀態下的疲勞行為。
材料和熱處理
50CrVA主要成分見表1。用長400mm的試樣先在860℃淬火，然后分別在390℃、500℃、615℃進行回火，獲得了抗拉強度為1200MPa、1500MPa、1800MPa的試樣。試樣按表2進行表面處理。
表1 50CrVA主要成分(%)
表2 表面狀態和材料狀態
試驗結果
試樣的加載采用四點彎曲法，最小應力為常數200MPa，最大應力可變。殘余應力的測試采用X射線法，晶格變形可按照Sin2ψ 法計算。為了測量殘余應力分布，使用電解拋光對試樣的表面進行連續剝層。
疲勞試驗前的表面狀態見表3，抗拉強度1500MPa的試樣表面粗糙度，在未噴丸時大約為31μm，而經噴丸處理后升高至63μm，強度為1200MPa的試樣情況與此類似。但1800MPa的高強度水平的試樣噴丸后表面粗糙度卻顯著的降低至37μm。
表3 疲勞試驗前的表面狀態
試樣表面上的殘余壓應力隨著抗拉強度的增加而增加，并且殘余壓應力的最大值和它在表面層下的深度也與此類似。預應力噴丸使試樣表面產生了最大的殘余壓應力，同時預應力噴丸不但使殘余應力的最大值增加，而且使最大值距表面的深度增加。
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噴丸強化作為一種成本低，適用范圍廣的表面強化技術一直有著不錯的生命力。在實際工程中，噴丸強度的覆蓋率和阿爾門強度均是通過試片試噴完成的，但是有限元仿真工作者們也一直沒有放棄使用計算機輔助技術來實現更低技術成本，更方便快捷的噴丸結果預測。
通常來說模擬噴丸過程有如下幾種套路：
單粒實體（或有質量的剛性殼體，下同）彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，合理的計算時間較短，一般在幾分鐘到幾十分鐘之間。
多粒規則排布實體彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，殘余應力分布研究，合理的計算時間隨彈丸數量的增加而增加，一般在1~5小時左右。
多粒隨機排布實體彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，殘余應力分布研究，覆蓋率研究，表面粗糙度研究。如果專注于殘余應力研究，此方法相比方法2并無明顯優勢，反而要花費不少時間在前處理上。此方法合理的計算時間隨彈丸數量的增加而增加，通常達到100%覆蓋率和較均勻的應力分布時，再附加一小段穩定應力波動的時間，隨后即可停止計算，根據通常計算規模，計算時間從幾小時到幾十小時不等。
離散元模擬彈丸沖擊任意形狀靶材，適用于殘余應力分布研究，噴丸成形研究，覆蓋率研究，表面粗糙度研究。仿真過程較為接近真實工藝，但是由于計算時間的約束，無法模擬真實工程中幾十秒到幾分鐘的大時間跨度過程。只能在合理的范圍內，對工藝時間進行大比例的壓縮。
等效方法（溫度等效法，壓力層法等等），此類方法適用于宏觀變形和應力的研究，而且往往是在獲取大量實驗數據之后才能進行有意義的等效。無法研究覆蓋率，表面粗糙度等表面完整性指標。但是勝在可以使用隱式分析，計算時間較短，可能是五種方法里最短的。不過對于復雜形狀的工件，其前處理較為繁瑣。
綜上分析，方法4在研究范圍上最為廣泛，較為適合研究機構和高校的研究工作。
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筆記99：噴丸強化用鋼絲切丸的磨損失效機理
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齒輪的表面完整性與抗疲勞制造技術的發展趨勢
近年來發展的深層滲碳和深層滲氮技術為形成適宜的硬化層深度和硬度梯度提供了較好的新思路和成熟的工藝方法。
齒輪熱處理硬化的表面完整性控制就是控制表面硬化層的組織結構、硬度梯度和硬化層深度以及殘余應力等。齒輪熱處理硬化控制不當易導致表層出現黑色組織、脫碳、白亮層較深、微觀裂紋等缺陷，也易導致本應形成的殘余壓應力變成殘余拉應力。
2.3齒輪的表面強化及表面完整性控制
齒輪除了表面硬化來提高表面層的硬度和強度外，為了提高齒輪根部的彎曲疲勞性能和延長齒面的接觸疲勞壽命，往往在表面硬化處理后再采用噴丸強化、滾壓強化和激光沖擊強化來引入殘余壓應力以改善表面層內的殘余應力狀態，進一步提高齒輪的服役壽命。
齒輪噴丸強化的歷史已有60 余年，最初是為了解決齒輪根部的斷裂問題，逐漸發展成為提高齒輪的接觸疲勞與彎曲疲勞以及應力腐蝕開裂與磨損等使用性能的關鍵改性工藝。目前國外已經把噴丸強化從常規噴丸轉變為精細噴丸，而且研發了齒根與齒面不同彈丸直徑與不同噴丸強度的先后噴丸強化工藝新技術以及先高強度后低強度噴丸的二次噴丸強化新技術，從而進一步提高了齒輪的服役性能。國內的噴丸強化還是停留在傳統的噴丸強化技術，缺少對精細噴丸的嚴格控制和新噴丸強化技術的研發。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關鍵是表面層內殘余應力分布的狀態控制與表面粗糙度的優化，要避免出現“欠噴”和“過噴”這兩種不當的噴丸強化。“欠噴”因噴丸強度較低而達不到預期的強化效果，“過噴”將因強度過高引入表面微裂紋或粗糙度過大而造成“過猶不及”。
齒輪的滾壓強化是借助滾壓在表面引入殘余壓應力。主要是采用圓的輥子或滾珠來碾壓齒輪表面，對于齒根還缺少系統的研究，這可能是由于受根部輥子或滾珠不易運動所限制。
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